《Displays》：Dual-mode switchable metasurface based on PDLC for dynamic color display and information encryption
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基于聚合物分散液晶（PDLC）的双模电/光开关超表面实现可见光谱连续全色调制（平均调制深度95.3%），通过极化控制与电场驱动协同作用，可切换高保真动态显示模式与光学加密/解密模式，兼具高安全性和多功能性，为新一代光学显示与防伪技术提供新方案。
杨一文|王琦|周一群|李金奇|洪瑞金|常晨亮|张大伟
上海现代光学系统重点实验室，教育部光学仪器与系统工程研究中心；上海科技大学光电与计算机工程学院现代光学系统重点实验室，中国上海中工路516号，200093
摘要
基于超表面的结构色因其高饱和度和分辨率而成为下一代反射显示技术的有力候选者。然而，实现整个色域内的连续全彩色动态调谐并保持高对比度仍然是一个重大挑战。本文提出了一种双模式电/偏振可切换的超表面，用于高安全性光学加密平台，该平台采用了聚合物分散液晶（PDLC）技术。通过偏振角度控制，实现了连续的全彩色调制，在380–780纳米可见光谱范围内的平均调制深度达到95.3%。此外，PDLC层在施加电场的情况下能够动态调节光传输，从而实现信息的可逆隐藏和检索。这种混合系统不仅展示了高保真的动态彩色图像显示，还结合了信息加密和隐写防伪的高级功能。这项工作为结合动态视觉呈现和高安全特性的多功能光电器件提供了一种有效策略。
引言
结构色源自介电或等离子体纳米结构中的光与物质相互作用，与传统基于颜料的显示器相比具有显著优势，包括高空间分辨率、环境耐久性、可编程性和材料简单性[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。因此，它们已被广泛应用于高密度信息存储、高对比度彩色显示器、防伪标签和光学加密等领域[6]、[7]、[8]、[9]。在各种平台中，超表面因其出色的光谱和相位响应调节能力而成为生成结构色的强大方法[10]、[11]。通过精心设计超表面单元的几何形状和排列，可以实现覆盖整个可见光谱的鲜艳结构色[12]、[13]。然而，大多数制造的超表面表现出静态光学响应，严重限制了它们在动态显示设置中改变结构色的应用。因此，在保持高空间分辨率和效率的同时实现可见光谱范围内的全彩色动态调制仍然是一个关键挑战[1]、[14]。为了解决这一限制，人们探索了多种主动和可重构的超表面策略。例如，可调电介质（包括电致变色材料、相变材料（VO2和GST）和液晶）已被集成到超表面中[15]、[16]、[17]、[18]。另一种方法是通过对纳米结构进行光热重塑或机械拉伸弹性基底来实现颜色调节和多图像切换[19]、[20]。最近，在电可重构液晶集成超表面方面取得了快速进展，实验上展示了高调制效率和动态光学控制，这突显了对混合电光超表面平台的日益关注[21]、[22]。然而，这些方法中很少有支持全彩色调谐的，并且通常存在响应慢、能耗高、稳定性差或制造工艺复杂等局限性，阻碍了它们在需要高速、低功耗和易于集成的实际应用中的使用。最近，模块化设计方法引起了广泛关注，其中系统被划分为可更换的纳米结构模块以实现不同的功能[23]、[24]。然而，现有的基于模板的颜色调制方法主要依赖于结构参数的变化来实现光谱位移，且可实现的调制深度通常受到材料本身损耗的限制。相比之下，所提出的平台引入了电可编程的PDLC振幅门与偏振选择性超表面共振相结合，实现了扩展的全彩色覆盖和高调制深度[25]。此外，当前系统实现了显示模式和加密模式之间的功能切换，这在之前的基于模板的彩色像素中尚未系统地展示过。同时，结合结构色与光学加密和多通道信息隐藏的多功能超表面近年来已成为一个重要的研究方向，展示了基于偏振依赖性和电驱动的双模式光学访问控制的可行性[26]、[27]。图1。
鉴于这些考虑，结合偏振控制和电场驱动调制的双模式超表面为具有高自由度和增强安全性的多通道光学加密平台提供了一条有前景的途径。为此，我们提出了将聚合物分散液晶（PDLC）与超表面相结合的新方法。PDLC由随机分散在聚合物基质中的微小液晶滴组成。在断电状态下，液晶与聚合物之间的折射率不匹配会导致强烈的多次散射，从而呈现不透明的白色外观。通电后，液晶重新排列，最小化了折射率不匹配，产生高度透明的状态[8]、[28]。此外，PDLC的预聚物溶液具有优异的流动性，能够在具有任意复杂几何形状的纳米结构上实现均匀且贴合的涂层[29]、[30]。
在这项工作中，我们提出了一种基于PDLC集成全彩色可调超表面的双模式电/偏振可切换显示平台。通过组合青色（Cyan）、品红色（Magenta）和黄色（Yellow，简称CMY）三种减法颜色模块中的任意两种来构建非对称纳米结构，通过控制入射光的偏振实现了全彩色调制，平均光谱调制深度为73.8%。此外，通过将CMY减法模块与黑色模块集成，引入了扩展配置，实现了颜色状态和黑色状态之间的可逆切换。当偏振角φ = 0°时，平均光谱调制深度为95.3%。这种设计允许通过CMY减法颜色和黑色扩展模块的空间图案化来实现光学图像的加密。此外，PDLC层在施加电场的情况下能够实现透明状态和散射状态之间的可逆切换，提供了对隐藏光学信息的电压门控访问。这种双模式切换机制不仅支持高保真的彩色显示和电驱动的动态打印，还实现了多维信息加密和解密。与现有的超表面方法相比，我们提出的将PDLC与特别设计的超表面相结合的混合系统实现了双模式电/偏振可切换，用于光学加密，实现了动态全彩色可调性、高调制深度和多功能隐写功能，展示了下一代高安全性光学显示和防伪应用的巨大潜力。
部分摘录
结构设计
非对称纳米孔阵列本身就表现出强烈的偏振敏感强度对比度[31]。采用模块化设计方法通过打破单元格的结构对称性来实现偏振控制的全彩色可调性。所提出的偏振控制超表面如图2(a)所示。它由四层功能层组成，即5纳米的Al2O3阵列层和顶部的40纳米Al阵列层（考虑到Al在空气中容易氧化）
结论
总之，我们展示了一种PDLC集成的全彩色可调超表面，它作为一个强大的双模式显示和加密平台。该超表面利用了间隙表面等离子体的强场限制和偏振敏感性，通过控制入射光的偏振来实现连续的全彩色调谐。
资金来源
本工作得到了中国国家自然科学基金（62375175）和中国国家重点研发计划（2022YFB2804602）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
